摘要：對燃氣輸配系統(tǒng)中的開裂銅球閥(材質(zhì)為HPb59-1鉛黃銅)進行鑒定，依據(jù)銅球閥的金相組織、裂口尖端表面能譜、化學成分等，分析開裂的原因。結(jié)合實際應用，提出此類銅球閥的安裝環(huán)境要求。

關(guān)鍵字：銅球閥；  金相組織；  能譜分析；  應力腐蝕開裂

Discussion on Application Environment of Cracked Copper Ball Valve in Gas Transmission and Distribution System

Abstract:The cracked copper ball valve(material：HPb59-1 ledrite )is identified．The cracking reason is analyzed according to the metallographic structure of copper ball valve，energy spectrum of the top crack surface，chemical composition and so on．The installation environment requirement of this type of copper ball valve is put forward with practical application．

Key words: copper ball valve；metallographic structure；energy spectrum analysis；stress corrosion cracking

近年來，在西安秦華天然氣有限公司天然氣輸配系統(tǒng)中螺紋銅球閥與燃氣管道螺紋連接處開裂事件屢有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計2011年中壓閥門井內(nèi)的放散銅球閥(DN 25 mm)及調(diào)壓箱進口管道處設置的放散銅球閥(DN 25 mm)發(fā)生螺紋連接處開裂事件43起，嚴重影響了天然氣輸配系統(tǒng)的安全可靠性。為了查明銅球閥與燃氣管道螺紋連接處開裂的原因，我們將開裂的銅球閥樣件送交專業(yè)管材研究部門進行分析鑒定，并對燃氣系統(tǒng)中銅球閥的應用環(huán)境進行全面的調(diào)研分析。

1 開裂銅球閥樣件分析鑒定情況

兩件開裂的銅球閥均為公稱通徑25 mm、公稱壓力l．6 MPa的手動銅球閥，閥體材料為鉛黃銅，材料牌號為HPb59-1，材料標準為GB／T 4423-2007《銅及銅合金拉制棒》。

Ⅰ號銅球閥開裂形貌見圖l，閥體沿軸向方向開裂，裂口長度約l4 mm。

Ⅱ號銅球閥開裂形貌見圖2，裂口詳細位置及長度從外觀觀察并不明顯。該銅球閥在管道上運行時被查出圖2所示“裂口大致位置”處泄漏天然氣，后送研究部門沿該處進行線切割后發(fā)現(xiàn)閥體也沿軸向方向開裂。

1.2 對送檢銅球閥的檢測分析

①金相組織分析

對I號、Ⅱ號銅球閥的金相組織^[1]及裂紋進行分析，結(jié)果如下：

I號銅球閥的金相組織由α相、β相和鉛顆粒組成，α相、β相為塊狀，鉛基本以細小顆粒均勻分布。裂紋起源于外表面，主裂紋兩側(cè)有二次裂紋，裂紋內(nèi)有灰色物質(zhì)；裂紋沿晶分布；裂紋兩側(cè)組織與非裂紋區(qū)組織相同，均為“α相+β相+鉛顆粒”，見圖3、4。

Ⅱ號銅球閥的金相組織也由α相、β相和鉛顆粒組成，α相、β相為塊狀，鉛基本以細小顆粒均勻分布。裂紋起源于外表面，裂紋附近外表面有一層灰色物質(zhì)呈波浪狀或直線狀，該灰色物質(zhì)與靠主裂紋根部裂紋內(nèi)灰色物質(zhì)相同；主裂紋兩側(cè)有二次裂紋，裂紋內(nèi)有灰色物質(zhì)；裂紋沿晶分布；裂紋兩側(cè)組織與非裂紋區(qū)組織相同，均為“α相+β相+鉛顆粒”，見圖5、6。

②能譜分析

對I號銅球閥裂口尖端處的灰色物質(zhì)試樣進行掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果表明：裂紋表面可見明顯灰色覆蓋物。能譜分析結(jié)果表明主要成分為Cu、Zn、S、O和少量Cl等，Ⅰ號銅球閥裂紋尖端點1處

的電子顯微鏡觀察結(jié)果和表面能譜分析結(jié)果見圖7、8。

對Ⅱ號銅球閥裂口尖端處的灰色物質(zhì)試樣進行掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果表明：裂紋表面可見明顯灰色覆蓋物。能譜分析結(jié)果表明主要成分為Cu、Zn、S、O和少量Cr、Mn等，Ⅱ號銅球閥裂紋尖端點l處的電子顯微鏡觀察結(jié)果和表面能譜分析結(jié)果見圖9、10。

③化學成分分析

分別對Ⅰ號、Ⅱ號銅球閥閥體的化學成分進行檢測分析，分析結(jié)果見表1。

1.3 對檢測結(jié)果的分析

①理化性能

由表l可見，Ⅰ號、Ⅱ號銅球閥閥體的Cu、Fe和Ni含量符合GB／T 5231-2001《加工銅及銅合金化學成分和產(chǎn)品形狀》的規(guī)定，但Pb含量明顯超過GB／T 5231-2001規(guī)定的上限值。

②開裂原因分析

金相檢測結(jié)果表明，Ⅰ號和Ⅱ號銅球閥閥體金相組織為α相、β相、鉛顆粒，α相、β相為塊狀，鉛基本以細小顆粒均勻分布，兩件銅球閥閥體金相組織沒有異常。

Ⅰ號和Ⅱ號銅球閥開裂斷面金相和掃描電鏡檢測結(jié)果均表明，斷面開裂形式為從閥體外表起裂的沿晶開裂特征，能譜分析結(jié)果表明斷面灰色物質(zhì)中含一定量的有害元素S，由此可判斷Ⅰ號和Ⅱ號銅球閥閥體開裂形式為硫化物應力腐蝕開裂。

2 關(guān)于銅球閥使用環(huán)境的討論

應力腐蝕開裂是指金屬因受應力與腐蝕的聯(lián)合影響而開裂的現(xiàn)象，是一種有條件的特定應力腐蝕形式，如無應力存在，即使處在腐蝕環(huán)境中，也不會發(fā)生開裂現(xiàn)象，而當有應力存在，尤其是拉應力存在時，則易引起應力腐蝕開裂。

產(chǎn)生應力腐蝕開裂的必要條件是同時存在拉應力和腐蝕性環(huán)境，當與銅球閥連接的管道輸送較高壓力介質(zhì)，裝配人員野蠻施工導致裝配扭矩較大時，銅球閥螺紋連接處會產(chǎn)生一定的環(huán)向拉應力作用，若外部服役環(huán)境中存在腐蝕介質(zhì)(特別是含S腐蝕介質(zhì))，銅球閥螺紋連接處便會沿環(huán)向發(fā)生應力腐蝕開裂^[2]。

HPb59-1鉛黃銅的特點是可切削性好，有良好的力學性能，但有腐蝕開裂傾向。以上銅球閥由HPb59-1銅合金棒鑄造加工而成，由于以上棒材內(nèi)部易存在殘余應力，加之該類銅球閥與壓力管道連接時存在安裝應力，且銅球閥安裝在潮濕的井室或戶外，受空氣中、雨水中的二氧化硫、硫酸鹽等有害雜質(zhì)的綜合作用，導致銅合金晶問腐蝕開裂。

Ⅰ號銅球閥安裝在用戶調(diào)壓箱進口處的放散管道上，管道的壓力為0．2 MPa，所處環(huán)境為戶外，無遮擋，風吹雨淋，使用時間為2年。

Ⅱ號銅球閥安裝在用戶庭院閥門井內(nèi)的放散管上，管道的壓力為0．2 MPa，所處環(huán)境為井室內(nèi)，潮濕，逢雨季井內(nèi)積水，使用時間為1年。

可見，以上開裂銅球閥均安裝在中壓管道(壓力為0．2 MPa)上，安裝環(huán)境有含S腐蝕性物質(zhì)，從而導致銅球閥與燃氣管道螺紋連接處腐蝕開裂。

經(jīng)以上分析，我們認為在燃氣輸配系統(tǒng)使用銅球閥時，應對其裝配位置及安裝環(huán)境進行評估，避免安裝在同時存在拉應力和腐蝕性的環(huán)境中，以免引起銅合金應力腐蝕開裂^[3]。

3 結(jié)論

我們認為不宜將該類銅球閥安裝在中壓輸配管道上，更不宜安裝在室外或閥門井等含S腐蝕性物質(zhì)較多的環(huán)境中，還應注意安裝時文明施工，不要用力過猛。應根據(jù)管材、管件的特征，規(guī)范安裝在低壓輸配系統(tǒng)和含s腐蝕性物質(zhì)較少的環(huán)境中。

參考文獻：

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[3] 車立新，段常貴．埋地鋼質(zhì)管道應力腐蝕開裂及其預防[J]．煤氣與熱力，2006，26(10)：l-4．

本文作者：  陸青   魏曉瑋